CN102323501A - 全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，包括依次连接的电磁脉冲发生器、现场监控器、远程控制终端以及智能控制器，智能控制器的输出端与电磁脉冲发生器的输入端连接，电磁脉冲发生器用于产生快沿电磁脉冲强场；现场监控器用于监控被测试对象、电磁脉冲发生器和智能控制器的状况；远程控制终端用于在远处发送试验参数、程控触发指令；智能控制器用于接收远程控制终端数据，根据指令使能电磁脉冲发生器动作；电磁脉冲发生器包括MARX发生器、气配单元和峰化电路，本发明解决了费时费力、效率低下的技术问题，本发明简化试验过程，缩短试验时间，减少人为试验差错提高试验效率。

Description

全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及一种电磁脉冲发生器，尤其涉及一种全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置。

背景技术

随着电子技术的迅猛发展，评价电子设备抗击强快沿电磁脉冲的能力日趋重要，在军事领域尤为重要。

另外，电子设备在进行瞬变电场敏感度试验时，如果设备电磁兼容EMC计考虑不周全，往往会出现异常，甚至被强快沿电磁脉冲毁坏，随后就要进行整改，需要进行一系列电场强度值由小到大的快沿电磁脉冲试验，找出设备出现异常状况的临界场强，根据此临界场强下的异常现象分析设备的敏感部位(而不是直接施加强电磁脉冲，使设备失效，对着“尸体”分析异常原因)，之后采取针对性的加固防护措施，反复试验，最终通过抗击标准电场强度的快沿电磁脉冲试验，设计出符合电磁兼容标准的产品。因此对高性能的强快沿电磁脉冲发生装置需求特别迫切。

现有快沿电磁脉冲发生装置的显著缺点是：设备自动化程度低，无法自动连续运行，完成单次试验后，便会停下来，如果需要进行后续试验，必须每次都进行人工干预，重新设置试验参数，等待试验设备就绪(时间较长)，之后进行试验。这样需要长时间反复人工干预才能连续进行试验。试验时，操作人员根据仪表上的读数进行参数设定，特别是模拟仪表，不同操作人员从仪表上读取的参数会有一定误差，同一操作人员在不同批次的试验中读取的参数会有一定误差，这样试验条件不完全一致，造成试验结果不一致；再者操作人员长期进行烦琐、单调、机械的重复操作，往往会出现误操作，造成测试数据不可信。采用现有设备完成上述连续试验，费时费力、效率低下，且试验数据可信度降低，不利于高质量完成试验任务。

发明内容

本发明目的是提供一种全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，该装置可单次或自动连续进行测试。

全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，包括依次连接的电磁脉冲发生器、现场监控器、远程控制终端以及智能控制器，所述智能控制器的输出端与电磁脉冲发生器的输入端连接，

所述电磁脉冲发生器用于产生快沿电磁脉冲强场；

所述现场监控器用于监控被测试对象、电磁脉冲发生器和智能控制器的状况；

所述远程控制终端用于在远处发送试验参数、程控触发指令；

所述智能控制器用于接收远程控制终端数据，根据接收数据调整电磁脉冲发生器各部件状态，当满足既定条件时，根据指令使能电磁脉冲发生器动作；

其特征在于：所述电磁脉冲发生器包括MARX发生器、气配单元和峰化电路，

所述MARX发生器包括限流电阻器(R1～R7)、电容器组、气隙火花开关(K1～K4)，

所述气隙火花开关的相对两端设置有进气管接口和出气管接口，所述气隙火花开关另外相对两端分别连接有阳电极E+和阴电极E-，所述阳电极E+由阳内电极和阳外电极构成，所述阴电极E-由阴内电极和阴外电极构成，

所述电容器组包括由并联的高压无感电容器(C1～C5)组成的第一电容器组、由高压无感电容器(C6～C10)并联组成的的第二电容器组、由高压无感电容器(C11～C15)并联组成的第三电容器组以及由高压无感电容器(C16～C20)并联组成的第四电容器组，直流高压源通过第一限流电阻R1对第一电容器组充电，直流高压源通过第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第五限流电阻R5对第二电容器组充电，直流高压源通过第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第五限流电阻R5以及第六限流电阻R6对第三电容器组C11～C15充电；直流高压源通过限流电阻(R1～R7)对第四电容器组充电，

所述第一电容器组、第二电容器组、第三电容器组、第四电容器组和峰化电路依次并联在直流高压电源间，

所述第一电容器组与第二电容器组分别通过阳电极E+和阴电极E-与第一气隙火花开关K1连接，所述第二电容器组与第三电容器组分别通过阳电极E+和阴电极E-与第二气隙火花开关K2连接，所述第三电容器组与第四电容器组分别通过阳电极E+和阴电极E-与第三气隙火花开关K3连接，所述第四电容器组与峰化电路分别通过阳电极E+和阴电极E-与第四气隙火花开关K4连接，

所述气配单元包括第一气配单元、第二气配单元和第三气配单元，第一气配单元包括气源、第一减压阀、第一充气阀门、第一充气继电器、第一放气继电器以及第一放气阀门，所述气源通过第一减压阀、第一充气阀门与第一气隙火花开关的进气管接口连接，所述第一放气阀门与第一气隙火花开关的出气管口连接，所述第一充气继电器用于控制第一充气阀门的开、合，所述第一放气继电器用于控制第一放气阀门的开、合，

所述第二气配单元包括气源、第二减压阀、第二充气阀门、第二充气继电器、第二放气继电器以及第二放气阀门，所述气源通过第二减压阀、第二充气阀门与第二气隙火花开关的进气管接口连接，所述第二放气阀门与第四气隙火花开关的出气管口连接，所述第二充气继电器用于控制第二充气阀门的开、合，所述第二放气继电器用于控制第二放气阀门的开、合，

所述第三气配单元包括气源、第三减压阀、第三充气阀门、第三充气继电器、第三放气继电器以及第三放气阀门，所述气源通过第三减压阀、第三充气阀门与第五气隙火花开关的进气管接口连接，所述第三放气阀门与第五气隙火花开关的出气管口连接，所述第二充气继电器用于控制第二充气阀门的开、合，所述第二放气继电器用于控制第二放气阀门的开、合。

上述智能控制器包括气体压力设定电路、高压源电压设定电路、气体压力测量电路、气体压力调节电路、高压源输出电压调节电路、状态指示电路、启动电路、上位机远程控制电路、电源电路、存储电路以及单片机，

所述气体压力测量电路包括第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，所述第一压力传感器的一端连接在第一充气阀门和第一气隙火花开关K1之间，另一端与单片机的第三AD采样电路AIN2连接，所述第二压力传感器的一端连接在第二充气阀门和第二气隙火花开关K2之间，另一端与单片机的第四AD采样电路AIN3连接，所述第三压力传感器的一端连接在第三充气阀门和第三气隙火花开关K3之间，另一端与单片机的第五AD采样电路AIN4连接，

所述气体压力设定电路包括N2压力设定电路和SF6压力设定电路，所述N2压力设定电路与单片机的第一AD采样电路AIN0连接，所述SF6压力设定电路与单片机的第六AD采样电路AIN5连接，

所述气体压力调节电路包括程控芯片LDO，所述程控芯片LDO包括第一程控LDO1、第二程控LDO2、第三程控LDO3、第四程控LDO4、第五程控LDO5以及第六程控LDO6，

所述第一程控LDO1的一端与第一充气继电器连接，另一端与单片机的GPG2接口连接，所述第二程控LDO2的一端与第一放气继电器连接，另一端与单片机的GPG3接口连接，

所述第三程控LDO3的一端与第二充气继电器连接，另一端与单片机的GPG4接口连接，

所述第四程控LDO4的一端与第二放气继电器连接，另一端与单片机的GPG5接口连接，

所述第五程控LDO5的一端与第三充气继电器连接，另一端与单片机的GPG6接口连接，

所述第六程控LDO6的一端与第三放气继电器连接，另一端与单片机的GPG7接口连接，

所述高压源电压设定电路与单片机的第二AD采样电路AIN1连接，

所述高压源输出电压调节电路与单片机的COM0接口连接；

所述试验参数显示电路与单片机的扩展LCD接口连接，

所述状态指示电路与单片机的GPF3接口连接，

所述启动电路与单片机的GPF4接口连接，

所述上位机远程控制电路与单片机的LAN接口连接，

所述电源电路用于给智能控制器供电。

上述N2压力设定电路包括第一电位器RP1，所述第一电位器RP1的C端输出第一采样电压信号GET-P1，所述SF6压力设定电路包括第二电位器RP2，所述第二电位器RP2的C端输出第二电压采样信号GET-P2，高压源电压设定电路包括第三电位器RP3，所述第三电位器RP3的C端输出第三电压采样信号GET-V。

上述上位机远程控制电路包括以太网电路和网络滤波器U-PHY_T，所述以太网电路为高度集成以太网控制器U-LAN，所述高度集成以太网控制器U-LAN的AEN(Pin34)端与单片机的nLANCS(Pin20)连接，所述高度集成以太网控制器U-LAN的INT0(Pin4)端与单片机的ETH-INT(Pin33)连接，所述高度集成以太网控制器U-LAN的IORB端(Pin29)接单片机的nOE(Pin15)；所述高度集成以太网控制器U-LAN的IOWB端(Pin30)接单片机的nWE(Pin16)；所述高度集成以太网控制器U-LAN的地址总线[SA0～SA4]与单片机的地址总线[AINDR1～AINDR5]相连；所述高度集成以太网控制器U-LAN的16位数据总线[SD0～SD15]与单片机的低16位数据总线[DATA0～DATA15]相连，所述高度集成以太网控制器U-LAN与网络滤波器U-PHY_T接口，所述网络滤波器U-PHY_T用于对高度集成以太网控制器U-LAN传输信号进行电平转换。

还包括语音提示电路，所述语音提示电路包括立体声信号数模转换芯片U-IIS-DA和低电压音频放大集成电路U-AMP，所述立体声信号数模转换芯片通过IIS接口接收单片机信号。

还包括存储电路，所述存储电路包括程序存储单元和程序运行单元，所述程序存储单元为U-FLASH存储器，所述U-FLASH存储器通过Flash接口与单片机连接；所述程序运行单元为SDRAM存储器，所述SDRAM存储器通过SDRAM接口与单片机连接。

上述高压源输出电路包括单电源电平转换芯片U-COM0。

还包括无线触发预留电路，所述无线触发预留电路通过单片机的COM1接口连接，所述无线触发预留电路包括单电源电平转换芯片U-COM1。

本发明所具有的优点：

1、在单次模式下，装置完成一次试验便停下来，再次测试需人工干预。在连续模式下，装置按照递增场强(递增值大小可任意调整)方式，自动连续进行试验。操作人员只需在远处监控室通过监视器观测设备是否发生敏感现象，然后根据现场情况，发出指令，中断试验进行即可。连续试验过程中，试验参数设置由装置自动完成，通过内部传感器进行参数反馈，经过内部控制器进行参数精度控制，根据内部指令启动试验，试验结果精准。

通过该装置，在产品性能认证阶段，可以进行单次常规验证性试验；在产品摸底，性能整改阶段，可以自动化连续进行试验，将操作人员从烦琐、单调、机械的重复操作中摆脱出来。

这样大大简化试验过程，缩短试验时间，减少人为试验差错，增强试验条件一致性，提高试验效率，使试验任务高质量完成。

2、本发明经实验验证，达到以下技术指标：

1]可产生信号上升前沿陡。可产生上升时间为2.3±0.5ns的瞬变信号。

2]可产生信号频率范围宽。可产生半高宽时间为23±5ns的模拟信号，这种信号频带宽。

3]可产生信号峰值场强高。可产生电场强度大于等于50kV/m的强电场信号。

4]全自动智能控制产生快沿电磁脉冲强场方式灵活，适用多种试验场合和试验目的。设备可以手动单次触发或者自动连续触发强快沿电磁脉冲。

附图说明

图1全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置系统框图；

图2快沿电磁脉冲强场发生器图；

图3气隙火花开关原理示意图；

图4第一气配单元结构示意图；

图5第二气配单元结构示意图；

图6第三气配单元结构示意图；

图7智能控制器核心电路板框图；

图8智能控制器的单片机信号关系图；

图9气体目标压力设定电路图；

图10高压源目标电压设定电路图；

图11第一气配单元控制图；

图12第一气配单元控制电路示意图；

图13第二气配单元控制图；

图14第三气配单元控制图；

图15高压源输出电压调节电路图；

图16就绪状态指示电路图；

图17启动电路图；

图18工作方式设定电路图；

图19上位机远程控制电路图；

图20电源系统电路图；

图21语音提示电路图；

图22存储单元电路图。

具体实施方式

如图1所示，全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置的结构示意图，由电磁脉冲发生器、智能控制器、远程控制终端、现场监控器四部分构成。远程控制终端可在远处发送试验参数，程控触发指令；智能控制器接收远程控制终端数据，根据接收数据调整电磁脉冲发生器各部件状态，当满足既定条件时，根据指令使能电磁脉冲发生器动作。电磁脉冲发生器用于产生快沿电磁脉冲强场。另外智能控制器前面板上有很多旋钮、按键，通过这些旋钮和按键可以设定试验状态参数，产生触发指令。一般通过智能控制器前面板进行单次手动试验。通过远程控制终端进行连续自动试验。

如图2，电磁脉冲发生器由MARX发生器、峰化电路、气配单元、传输线和负载构成。MARX发生器用于初级储能与脉冲产生；峰化电路用于脉冲压缩，缩短脉冲上升时间；传输线和负载用于辐射强电场。MARX发生器由限流电阻器R1～R7、高压无感电容器C1～C20、气隙火花开关K1～K4构成。设直流高压源输出直流高压为U，充电期间，直流高压源通过R1对C1～C5充电；通过R2、R5对C6～C10充电；通过R1～R3、R5、R6对C11～C15充电；通过R1～R7对C16～C20充电。充电完成后，电容器C1～C20上电压为U，气隙火花开关K1～K3上承受电压为U。通过外部触发使第一气隙火花开关K1导通，则气隙火花开关第二气隙火花开关K1K2上承受的电压陡增为2U，这样K2因承受电压突然升高而击穿导通。同理，第二气隙火花开关K2导通后，第三气隙火花开关K3上承受的电压陡增为3U，K3也因承受电压突然升高而击穿导通。最后第四气隙火花开关K4击穿导通。限流电阻器R1～R7为高阻值功率电阻，当气隙火花开关导通后，限流电阻器用于防止电容器C1～C20对直流高压源反向充电。峰化电路由高压无感电容器C21和充满SF6气体的气隙火花开关K5组成。第四气隙火花开关K4导通后，MARX发生器向峰化电容C21充电，直到峰化第五气隙火花开关K5击穿导通，这样电流通过传输线流过负载R8，产生瞬时脉冲。第五气隙火花开关K5的击穿电压远高于气隙火花开关K1～K4的击穿电压，这样将K1～K4的依次导通时间压缩为K5的瞬时导通时间，脉冲上升沿便大大提高了。

如图3，气隙火花开关是一个密闭的腔体，左、右侧通过气管分别与充气气阀门、放气阀门连接；上、下方为电极，接直流高压。给气隙火花开关内部按照一定压力充满特定气体，同时给气隙火花开关上下两个电极施加高电压，由于气体的绝缘性，上下两个电极不导通，当保持电极上直流高压不变，突然降低气隙火花开关内的气体压力到一定数值，内部气体被高电压电离，产生电弧，产生电弧瞬间两个电极导通。电极导通瞬间，两电极间电压因放电而急剧降低，因电压降低，气体不再电离，这样气隙火花开关不再导通。气隙火花导通时间短，承受电压高，放电电流大，特别适用于强快沿电磁脉冲电路。

如图4、图5、图6，电磁脉冲发生器气路由3个气配单元构成。气隙火花开关分为3组(K1、K2～K4、K5)，对应3个气配单元。以第1个气配单元为例，第一减压阀10输入端与N2气瓶连接，第一减压阀输出端通过气管与第一充气阀门11连接。第一充气阀门11、第一压力传感器12、第一气隙火花开关K1通过三通进行互连。第一放气阀门14通过气管与第一气隙火花开关K1连接。气瓶内装有特定压缩气体，压力较高，压缩气体首先通过减压阀调节为压力合适的气体。第一充气阀门11闭合时，减压阀输出的气体不能进入气隙火花开关K1。第一充气阀门11开启时，减压阀输出的气体通过第一充气阀门11进入第一气隙火花开关K1。第一压力传感器12用于检测第一气隙火花开关K1内的压力，并向单片机通报压力数值，由单片机根据压力数值控制第一充气阀门11、第一放气阀门14开启、闭合状态。第一放气阀门14开启时，第一气隙火花开关K1通过第一放气阀门14放气，第一气隙火花开关内的气体压力会突然降低。第一放气阀门14闭合时，第一气隙火花内气体不能放出。同理第2、3个气配单元与第1个气配单元气路连接、压力控制方法相同，只是第2个气配单元将气隙火花开关K2～K4串联起来，进行气压控制，第3个气配单元的第五气隙火花开关K5内充SF6气体。

智能控制器用于触发Marx发生器工作，如图7它由气体压力设定电路、高压源电压设定电路、气体压力调节电路、气体压力测量电路、高压源输出电压调节电路、试验参数显示电路、状态指示电路、启动电路、上位机远程控制电路、电源电路、语音提示电路、存储电路构成。智能控制器的核心部件是单片机U-MCU，该单片机片内资源包括GPIO口、AD采样电路、UART口。

如图8通过单片机GPG2端口(GPIO口，对应单片机36引脚)控制LDO1输出与否，GPG2输出控制信号C-LDO1，C-LDO1为高电平，LDO1输出；C-LDO1为低电平，LDO1禁止。LDO1输出，则第一充气继电器41吸合；LDO1禁止，则第一充气继电器41断开。第一充气继电器41吸合，则220VAC电源通过第一充气继电器41给第一充气阀门11(见图4)供电，第一充气阀门11开启；第一充气继电器41断开，则第一充气阀门11(见图4)断电，第一充气阀门11闭合。同理，通过单片机GPG3～GPG7端口(GPIO口，对应单片机37～41引脚)控制LDO2～LDO6，进而控制第一至第三充气继电器～第一至第三放气继电器状态；通过这些继电器控制第二充气阀门21、第三充气阀门31、第一放气阀门14、第二放气阀门24以及第三放气阀门34状态，对应关系见表1。

表1

通过单片机GPF2端口(GPIO口，对应单片机29引脚)与按键连接，用于设置智能控制器工作方式。

通过单片机GPF4端口(GPIO口，对应单片机30引脚)与开关连接，用于启动电磁脉冲发生器。

通过单片机GPF3端口(GPIO口，对应单片机31引脚)与指示灯连接，用于进行试验状态是否就绪指示。

通过GPIO端口(GPC0～GPCI5、GPD0～GPD5、GPE4、GPE6、GPE7)，单片机扩展液晶显示接口，用该接口与成品显示模块连接，显示试验参数、设备状态、试验结果。

通过单片机AIN0端口(AD采样输入，对应单片机75引脚)与GET-P1信号连接，用于读取预定进行试验的N2气体的目标压力。同理，通过单片机AIN1～AIN5端口(AD采样输入，对应单片机76～80引脚)对应与GET-V、Sensor_P1、Sensor_P2、Sensor_P3、GET-P2信号连接，用于读取预定进行试验的高压源输出的目标电压值、第一气隙火花开关K1内部实际压力、第二气隙火花开关K2内部实际压力、第五气隙火花开关K5内部实际压力、预定进行试验的SF6气体目标压力，对应关系见表2。

表2

通过单片机UART0端口(对应单片机99、100引脚)与高压源控制器串口连接，控制高压源输出预定试验电压。单片机UART1(对应单片机103、104引脚)端口作为预留端口，接数传模块后可扩展无线触发功能。

通过标准总线方式(数据、地址、控制信号)，单片机扩展10M网络接口，与上位机(远程控制终端)进行通信，实现程控自动化连续试验功能，无须操作人员干预。

通过片内IIS接口，扩展语音提示功能，当进行设备操作时，按照既定流程提示当前状态，试验参数，以及下一步需要进行的操作，注意事项。当出现异常情况时，发出特定频率的音频信号，进行报警，以便及时排除故障。

通过标准总线方式(数据、地址、控制信号)，单片机扩展存储单元，扩展2M字节Nor Flash芯片用于程序存储、扩展8M字节SDRAM用于程序下载调试。

如图9，气体目标压力设定电路包括N2压力设定电路和SF6压力设定电路。图9(左)为N2压力设定电路，图9(右)为SF6压力设定电路。N2压力设定电路和SF6压力设定电路结构相同。在N2气体目标压力设定电路中，压力设定电路核心部件是一个三端电位器RP1，其中A、B端为固顶端，C端为调节端。A接+3.3V电源，B端接系统地。C端输出GET-P1信号。GET-P1接单片机的75脚(单片机内部AIN转换输入引脚)，单片机对GET-P1的电压进行采样。该电位器安装在控制箱前面板上，通过旋转电位器旋钮，电位器C、B点间阻值发生变化，进而导致GET-P1输出电压发生变化，这样单片机对GET-P1的电压采样值发生变化，根据采样值大小，单片机确定进行试验的N2气体的目标压力值。GET-P1输出的电压为0～3.3V，对应设置压力值0～0.99MPa，两者为线性关系。图9中GET-P2用于设定进行试验的SF6气体目标压力值。GET-P2接单片机的80脚。

如图10，高压源目标电压设定电路与气体目标压力设定电路相同，电位器调节端C输出GET-V信号，GET-V信号接单片机的76脚(内部AIN转换输入引脚)，单片机对GET-V的电压进行采样。该电位器安装在控制箱前面板上，通过旋转电位器旋钮，电位器C、B点间阻值发生变化，进而导致GET-V输出至的单片机电压发生变化，这样单片机对GET-V的电压采样值发生变化，根据采样值大小，单片机确定直流高压源输出电压。GET-V输出的电压为0～3.3V，对应设置压力值0～66KV，两者为线性关系。

如图11，在第1个气配单元中，压力调节电路的核心部件是第一充气继电器41、第一放气继电器42、程控LDO1、程控LDO2、第一充气阀门11、第一放气阀门14和第一压力传感器12。第一充气继电器41和第一放气继电器42相同，均为常开继电器。

图12中RELAY1(即为第一充气继电器41)的1、2脚为控制端，控制电压为4.5V～5.5V，RELAY1的3、4脚负载能力为1A/250VAC。RELAY1的1、2脚无电压时，RELAY1的3、4脚断开，图11中第一充气阀门11闭合，第一气隙火花开关K1内部压力不变。第一充气继电器41的1、2脚存在+5V电压时，第一充气继电器41的3、4脚连通，充气电磁阀开启，气隙火花开关内部压力升高。同理，图11中第一放气继电器42(即为图12中RELAY2)的1、2脚无电压时，第一放气继电器42(即为图12中RELAY2)的3、4脚断开，图9中第一放气阀门14闭合，第一气隙火花开关K1内部压力不变。第一放气继电器的1、2脚存在+5V电压时，第一放气继电器42的3、4脚连通，第一放气阀门14开启，第一气隙火花开关K1内部压力降低。

如图11，LDO2与LDO1相同，LDO1用于给第一充气阀门11的控制端发控制信号。LDO1输出为100mA5V，其驱动能力完全满足第一充气阀门11的控制线包的功耗要求。LDO1的3脚为使能端，使能端高电平有效，使能端有效，LDO1输出+5V电压，使能端无效，LDO1禁止+5V电压输出。LDO1的3脚与单片机的36脚(通用I/O口，GPG2口)进行连接，单片机的36脚输出C-LDO1信号，C-LDO1信号控制LDO1是否输出+5V电压。同理，LDO2用于给第一放气阀门14的控制端发控制信号。LDO2的3脚与单片机的37脚(通用I/O口，GPG3口)进行连接，单片机的37脚用于输出C-LDO2信号，C-LDO2信号控制LDO2是否输出电压。第一压力传感器12用于测量气隙火花开关K1内部压力，并由单片机读取该压力值。第一压力传感器12将待测压力大小转换为Sensor_P1信号输出，待测压力大小和Sensor_P1信号输出电压高低成正比。单片机对Sensor_P1信号进行模数转换。第一压力传感器12的量程为0～1MHz，精度为0.5％FS，输出信号为0～3V。第一压力传感器12共三个引脚，1脚为供电端，接24V电源；2脚为公共端，接地；3为输出端，接单片机的77脚(单片机的AD采样输入，AIN2)。

如图11，在第一气配单元中压力反馈控制过程为：单片机的75脚通过压力设定电路获得N2目标压力值(也即气隙火花开关K1的目标压力值)，单片机的77脚通过第一压力传感器12获得第一气隙火花开关K1的当前压力值。若当前压力值小于目标压力值，单片机的36脚(GPG2口)输出C-LDO1信号为高电平，37脚(GPG3口)输出C-LDO2信号为低电平。此时LDO1输出+5V，LDO2输出0V。对第一充气继电器41的状态为闭合，第一放气继电器42的状态为断开。这样，第一充气阀门11开启，第二放气阀门14闭合。气瓶内气体过减压阀后通过第一充气阀门11给第一气隙火花开关K1充气，第一气隙火花开关K1内部压力升高。反之，若当前压力值大于目标压力值，单片机的36脚(GPG2口)输出C-LDO1信号为低电平，37脚(GPG3口)输出C-LDO2信号为高电平。此时LDO1输出0V，LDO2输出+5V。对应第一充气继电器41的状态为断开，第一放气继电器42的状态为闭合。这样，第一充气阀门11闭合，第一放气阀门14开启。第一气隙火花开关K1内气体通过第一放气阀门14排除，第一气隙火花开关K1内部压力降低。

如图11，在第一气配单元中，以单片机为核心，通过继电器、LDO、阀门实现对气隙火花开关K1内气体压力的自动调节。同理如图13、图14，第二、第三气配单元与气配单元的配置和气压控制原理相同。第一气配单元控制第一气隙火花开关K1内部压力，第一气隙火花开关K1内部充N2；在第二气配单元中，第二、第三、第四气隙火花开关K2、K3、K4串联，这样第二气配单元同时控制第二、第三、第四气隙火花开关K2、K3、K4内部压力，第二、第三、第四气隙火花开关K2、K3、K4内部充N2；第三气配单元3控制峰化气隙火花开关K5内部压力，峰化气隙火花开关K5内部充SF6。气配单元通过充气电磁阀使气隙开关内部压力升高，通过放气电磁阀使气隙开关内部压力降低，通过压力传感器检测气隙开关内部压力是否达到设定值。所有控制指令和判断过程通过单片机完成。另外，N2气体目标压力设定电路中设定的N2气体目标压力试验时既是气配单元1内气隙火花开关K1的目标压力，也是第二气配单元内第二、第三、第四气隙火花开关K2、K3、K4的目标压力。

高压源输出电压调节电路如图15所示。高压源为定购件，提供RS232标准串行接口进行程控。单片机通过串口0与高压源进行通信。单片机发送电压调节指令，控制高压源输出直流高压大小。单片机为LVTTL电平。LVTTL的标准逻辑“1”对应2V～3.3V电平，标准逻辑“0”对应0V～0.4V电平，而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V～-15V电平，标准逻辑“0”对应+5V～+15V电平，单片机的电平与RS232标准要求电平不匹配，无法直接通信。通过单电源电平转换芯片U-COM0，实现单片机串口0与高压源点对点的串行异步通信，P1为标准9针串口，用于通信线缆连接。U-COM0器件对电源噪声很敏感，因此Vcc(U-COM0的16脚)必须要对地加去耦电容C5，其值为0.1μF。电容C1、C2、C3、C4取同样数值的钽电容0.1μF、16V，用以提高抗干扰能力，在连接是必须尽量靠近器件。单片机与高压源采用串行输入RXD0、串行输出TXD0、地线进行三线制通信。单片机串口0波特率为1200，起始位1位、数据位8位，停止位1位，最大限度保证数据高效可靠传输。通过单片机的100脚(串口0，TXD)发送高压源输出目标电压，高压源收到指令后，内部倍压电路工作，当电压调节完成后，给单片机的99脚回发“任务完成数据报”，表示电压调整完成。

试验参数显示电路定购成品显示模块，该模块由TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示屏)、驱动电路背光单元构成。显示屏大小为3.5英寸，分辨率为，240X320像素，显示单元供电电压为5V。单片机通过GPIO端口扩展标准液晶显示接口电路，用该接口显示单元连接，显示预定进行试验的N2气体目标压力、预定进行试验的SF6气体目标压力、预定进行试验的高压源输出目标电压值、气隙火花开关K1内部实际压力、气隙火花开关K2内部实际压力、气隙火花开关K5内部实际压力、试验准备工作是否就绪、脉冲触发是否完成。LCD各引脚与单片机的GPIO对应如表3所示。

表3

状态指示电路如图16所示，当所有气隙开关内部实际气压与试验目标压力相同、高压源实际输出电压与试验目标电压相同后，通过单片机GPF3端口(GPIO口，对应单片机31引脚)输出ReAINy信号，进行状态指示。ReAINy信号为高电平，指示灯D1点亮表示试验设备“准备就绪”，可以进行试验；否则，ReAINy信号为低电平，指示灯D1熄灭，表示试验设备“等待”，需要调整气隙火花开关内部实际气压、高压源实际输出电压到目标压力值后，才能进行试验。

启动电路如图17所示，启动电路由R11、R12和开关S1构成。Triggle为触发信号，由R12分压产生，平时因R12被下拉，Triggle为低电平，当开关S1按下时，R12上分压较高，Triggle为高电平。单片机的GPF4端口(GPIO，对应单片机30引脚)接Triggle信号，单片机不断检测Triggle信号，当Triggle为高电平，且智能控制器工作方式为“手动单次触发方式”，状态指示电路的“ReAINy信号”为高电平时，智能控制器触发电磁脉冲发生器工作，生成快沿脉冲强场。否则，智能控制器不触发电磁脉冲发生器工作，也不生成快沿脉冲强场。

如图18，工作方式设定电路与启动电路原理相同，单片机的GPF2端口(GPIO，对应单片机29引脚)接Manner信号，当开关S2弹起时，Manner为低电平，智能控制器为手动单次触发方式；当开关K按下时，当Manner为高电平，智能控制器为自动连续触发方式。

如图19，智能控制器工作方式为“自动连续触发方式”时，单片机通过网口进行上位机通信，以太网电路部分采用U-LAN设计，最大通信速率为10Mbps。采用16位数据总线方式。U-LAN是高度集成以太网控制器。U-LAN集成了10BASET收发器，提供完全解决即插即用方案。U-LAN是100-pin的PQFP封装。将单片机的nLANCS(Pin20)接至U-LAN的AEN(Pin34)端。将单片机的ETH-INT(Pin33)接至U-LAN的INT0(Pin4)端。U-LAN的IOCS16B(Pin96)端通过电阻R25上拉，表示U-LAN为16位操作方式。U-LAN的IORB端(Pin29)接单片机的nOE(Pin15)；U-LAN的IOWB端(Pin30)接单片机的nWE(Pin16)；U-LAN的RSTDRV(Pin33)端接电容C40和电阻R33的公共点，实现上电复位。U-LAN的地址总线[SA0～SA4]与单片机的地址总线[AINDR1～AINDR5]相连；U-LAN的16位数据总线[SD0～SD15]与单片机的低16位数据总线[DATA0～DATA15]相连。U-PHY T用于信号电平转换，以保证信号在网络上高质量传输。

如图20，在智能控制器供电系统中：压力传感器工作电压为+24V，单片机的内核工作电压为+2.5V，I/O口工作电压为3.0V～3.6V，外围部分器件供电电压为+5V。为简化系统电源电路的设计，要求整个系统首先输入高质量的5V的直流稳压电源。通过电源模块U-24V将220V交流电压整流为直流+24V直流电压，为三个压力传感器供电。通过电源模块U-5V将220V交流电压整流为直流5.3V直流电压，5.3V直流电压是接口电路工作所需要的。再将5.3V直流电源通过LDO整流为3.3V、2.5V直流电压。24V、5.3V、3.3V、2.5V直流电源对应网络标号分别为VCC24、VCC5.0、VCC3.3、VCC2.5。

如图21，通过片内IIS接口，扩展语音提示功能，当进行设备操作时，按照既定流程提示当前状态，试验参数，以及下一步需要进行的操作，注意事项。当出现异常情况时，发出特定频率的音频信号，进行报警，以便及时排除故障。U-IIS-DA是一个立体声信号数模转换芯片，芯片通过IIS接口接收单片机信号，转换后输出双声道音频信号。芯片采用5V供电。U-AMP是一个低电压音频放大集成电路，专用于音频设备，在立体声模式下工作。U-AMP将来自U-IIS的音频信号放大后，输出到外置扬声器

如图22，U-FLASH存储器是一掉电后信息不丢失的存储器。Flash在系统中用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。U-FLASH的单片存储容量为16M位(2M字节)，工作电压为2.7V～3.6V，采用48脚TSOP封装，16位数据宽度，16位(字模式)数据宽度的方式工作。系统上电或复位后从U-NOR-FLASH存储器获取指令并开始执行，因此，将存有程序代码的Flash存储器的起始地址配置为0x00000000，即将单片机的nGCS0(Pin17)接至U-NOR-FLASH0的CE#端(Pin26)。单片机的nOE(Pin15)接U-NOR-FLASH0的OE#端(Pin28)。单片机的nWE(Pin16)接U-NOR-FLASH0的WE#端(Pin11)。单片机的地址总线[AINDR20～AINDR1]与U-NOR-FLASH0的地址总线[A19～A0]对应连接。单片机的低16位数据总线[DATA15～DATA0]与U-NOR-FLASH0的16位数据总线[DQ 15～DQ0]对应连接。

SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器。SDRAM本系统中用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。SDRAM的存储容量为4组×16M位(8M字节)，工作电压为3.3V，封装为54脚TSOP，兼容LVTTL接口，16位数据宽度。将至SDRAM的/CS端(Pin19)接单片机的nSCS0(Pin25)。将单片机的nSCS0(Pin25)接至SDRAM的/CS端(Pin19)。SDRAM的CLK端(Pin38)接单片机的SDCLK端(Pin28)；SDRAM的CKE端(Pin37)接单片机的CKE端(Pin27)；SDRAM的/RAS(Pin18)、/CAS(Pin17)、/WE(Pin16)端分别接单片机的nSRAS端(Pin8)、nSCAS端(Pin7)、nWE端(Pin16)；SDRAM的A11～A0接单片机的地址总线AINDR11～AINDR0；SDRAM的BA1、BA0接单片机的地址总线AINDR21、AINDR22；SDRAM的DQ15～DQ0接单片机的数据总线的低16位DATA15～DATA0；SDRAM的UDQM(Pin39)、LDQM(Pin15)分别接单片机的nWEB1(Pin12)、nWEB0(Pin11)。

智能控制器工作流程与工作方式有关。

当智能控制器为手动单次触发方式，智能控制器按如下步骤工作：1、通过液晶屏显示工作方式为“手动单次触发”。2、单片机读取进行试验的N2、SF6气体的目标压力值并显示。3、单片机读取进行试验的高压源输出的目标电压值并显示。4、单片机调节所有气隙开关内实际压力值为目标压力值，实时显示所有气隙开关内部压力值。5、气压调节完成后，单片机给高压源控制器发指令，使高压源实际输出电压值为目标电压值。6、高压源电压调节完成后，单片机设置指示灯为“就绪”状态。7、单片机检测触发按钮是否按下，触发按钮按下，单片机触发Marx发生器，产生快沿脉冲强场。

当智能控制器为自动连续触发方式，智能控制器按如下步骤工作：

1、显示工作方式为“自动连续触发”。

2、读取上位机传来的N组不同试验参数(N2和SF6目标气压、高压源输出的目标电压、试验次数)至接收缓冲区。

3、单片机数据处理，提取参数。

4、单片机调节所有气隙开关内实际压力值为目标压力值，实时显示所有气隙开关内部压力值。5、气压调节完成后，单片机给高压源控制器发指令，使高压源实际输出电压值为目标电压值。6、高压源特定电压输出完成后，设置指示灯为“就绪”状态。7、单片机自动触发Marx发生器，输出快沿脉冲强场，随后设置指示灯为“等待”状态。8、等待30s。9、单片机判定是否收到上位机发来的“试验暂停指令”，收到则进入待机状态；否则单片机判定是否完成规定试验次数，完成规定试验次数则进入待机状态，否则继续循环进行试验。

全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置操作步骤如下：设备上电后，首先通过工作方式选择按键设置工作方式。在手动单次触发方式下，操作步骤为：1、设置进行试验的N2气体的目标压力。2、设置进行试验的SF6气体的目标压力。3、设置进行试验的高压源输出的目标电压。4、等待指示灯为“就绪”状态。5、按下触发按钮，产生快沿脉冲强场。

在自动连续触发方式下，操作步骤为：1、通过上位机输出的N组(N＞0)不同试验参数(N2和SF6目标气压、高压源输出的目标电压、试验次数)至智能控制器。2、智能控制器接收完毕后，返回“数据正常接收报文”。否则智能控制器发送“重新发送试验参数报文”，上位机重新发送数据。3、上位机收到“数据正常接收报文”后，在1分钟后，智能控制器将自动连续触发Marx发生器，输出快沿脉冲强场。4、操作人员通过监视器观测试验现场“EUT状态”。若在试验过程中“EUT出现敏感”，操作人员通过上位机发送“试验暂停指令”。智能控制器停止“触发Marx发生器输出快沿脉冲强场”，同时将当前试验参数返回上位机，供操作人员查阅。若直到试验结束“EUT未出现敏感”，则智能控制器处于待机状态，等待新指令。

远程控制终端为PC机，在Windows XP系统下运行，用VC++编写应用程序，通过以太网实现PC机与智能控制器的通信。通过远程控制终端设置“连续试验次数”、“每次试验的气体压力值”、“每次试验的高压值”，发出“进行试验”、“试验暂停”指令。

现场监控器为成熟的视频采集产品，摄像头部分安装在电磁脉冲发生器附近，拍摄现场图像，视频显示部分放置在远程控制终端附近，操作人员通过远程控制终端启动试验后，便可以集中精力观察视频显示部分的图像。

Claims (8)

1.全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，包括依次连接的电磁脉冲发生器、现场监控器、远程控制终端以及智能控制器，所述智能控制器的输出端与电磁脉冲发生器的输入端连接，

所述电磁脉冲发生器用于产生快沿电磁脉冲强场；

所述现场监控器用于监控被测试对象、电磁脉冲发生器和智能控制器的状况；

所述远程控制终端用于在远处发送试验参数、程控触发指令；

所述智能控制器用于接收远程控制终端数据，根据接收数据调整电磁脉冲发生器各部件状态，当满足既定条件时，根据指令使能电磁脉冲发生器动作；

其特征在于：所述电磁脉冲发生器包括MARX发生器、气配单元和峰化电路，

所述MARX发生器包括限流电阻器(R1～R7)、电容器组、气隙火花开关(K1～K4)，

所述气隙火花开关的相对两端设置有进气管接口和出气管接口，所述气隙火花开关另外相对两端分别连接有阳电极(E+)和阴电极(E-)，所述阳电极E+由阳内电极和阳外电极构成，所述阴电极(E-)由阴内电极和阴外电极构成，

所述电容器组包括由并联的高压无感电容器(C1～C5)组成的第一电容器组、由高压无感电容器(C6～C10)并联组成的的第二电容器组、由高压无感电容器(C11～C15)并联组成的第三电容器组以及由高压无感电容器(C16～C20)并联组成的第四电容器组，直流高压源通过第一限流电阻(R1)对第一电容器组充电，直流高压源通过第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)、第五限流电阻(R5)对第二电容器组充电，直流高压源通过第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)、第三限流电阻(R3)、第五限流电阻(R5)以及第六限流电阻(R6)对第三电容器组(C11～C15)充电；直流高压源通过限流电阻(R1～R7)对第四电容器组充电，

所述第一电容器组、第二电容器组、第三电容器组、第四电容器组和峰化电路依次并联在直流高压电源间，

所述第一电容器组与第二电容器组分别通过阳电极(E+)和阴电极(E-)与第一气隙火花开关(K1)连接，所述第二电容器组与第三电容器组分别通过阳电极(E+)和阴电极(E-)与第二气隙火花开关(K2)连接，所述第三电容器组与第四电容器组分别通过阳电极(E+)和阴电极(E-)与第三气隙火花开关(K3)连接，所述第四电容器组与峰化电路分别通过阳电极(E+)和阴电极(E-)与第四气隙火花开关(K4)连接，

所述气配单元包括第一气配单元、第二气配单元和第三气配单元，第一气配单元包括气源、第一减压阀、第一充气阀门、第一充气继电器、第一放气继电器以及第一放气阀门，所述气源通过第一减压阀、第一充气阀门与第一气隙火花开关的进气管接口连接，所述第一放气阀门与第一气隙火花开关的出气管口连接，所述第一充气继电器用于控制第一充气阀门的开、合，所述第一放气继电器用于控制第一放气阀门的开、合，

所述第二气配单元包括气源、第二减压阀、第二充气阀门、第二充气继电器、第二放气继电器以及第二放气阀门，所述气源通过第二减压阀、第二充气阀门与第二气隙火花开关的进气管接口连接，所述第二放气阀门与第四气隙火花开关的出气管口连接，所述第二充气继电器用于控制第二充气阀门的开、合，所述第二放气继电器用于控制第二放气阀门的开、合，

所述第三气配单元包括气源、第三减压阀、第三充气阀门、第三充气继电器、第三放气继电器以及第三放气阀门，所述气源通过第三减压阀、第三充气阀门与第五气隙火花开关的进气管接口连接，所述第三放气阀门与第五气隙火花开关的出气管口连接，所述第二充气继电器用于控制第二充气阀门的开、合，所述第二放气继电器用于控制第二放气阀门的开、合。

2.根据权利要求1所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：所述智能控制器包括气体压力设定电路、高压源电压设定电路、气体压力测量电路、气体压力调节电路、高压源输出电压调节电路、状态指示电路、启动电路、上位机远程控制电路、电源电路、存储电路以及单片机，

所述气体压力测量电路包括第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，所述第一压力传感器的一端连接在第一充气阀门和第一气隙火花开关(K1)之间，另一端与单片机的第三AD采样电路(AIN2)连接，所述第二压力传感器的一端连接在第二充气阀门和第二气隙火花开关(K2)之间，另一端与单片机的第四AD采样电路(AIN3)连接，所述第三压力传感器的一端连接在第三充气阀门和第三气隙火花开关(K3)之间，另一端与单片机的第五AD采样电路(AIN4)连接，

所述气体压力设定电路包括N2压力设定电路和SF6压力设定电路，所述N2压力设定电路与单片机的第一AD采样电路(AIN0)连接，所述SF6压力设定电路与单片机的第六AD采样电路(AIN5)连接，

所述气体压力调节电路包括程控芯片(LDO)，所述程控芯片(LDO)包括第一程控(LDO1)、第二程控(LDO2)、第三程控(LDO3)、第四程控(LDO4)、第五程控(LDO5)以及第六程控(LDO6)，

所述第一程控(LDO1)的一端与第一充气继电器连接，另一端与单片机的(GPG2)接口连接，所述第二程控(LDO2)的一端与第一放气继电器连接，另一端与单片机的GPG3接口连接，

所述第三程控(LDO3)的一端与第二充气继电器连接，另一端与单片机的GPG4接口连接，

所述第四程控(LDO4)的一端与第二放气继电器连接，另一端与单片机的GPG5接口连接，

所述第五程控(LDO5)的一端与第三充气继电器连接，另一端与单片机的GPG6接口连接，

所述第六程控(LDO6)的一端与第三放气继电器连接，另一端与单片机的GPG7接口连接，

所述高压源电压设定电路与单片机的第二AD采样电路(AIN1)连接，

所述高压源输出电压调节电路与单片机的COM0接口连接；

所述试验参数显示电路与单片机的扩展LCD接口连接，

所述状态指示电路与单片机的GPF3接口连接，

所述启动电路与单片机的GPF4接口连接，

所述上位机远程控制电路与单片机的LAN接口连接，

所述电源电路用于给智能控制器供电。

3.根据权利要求2所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：所述N2压力设定电路包括第一电位器(RP1)，所述第一电位器(RP1)的C端输出第一采样电压信号(GET-P1)，所述SF6压力设定电路包括第二电位器(RP2)，所述第二电位器(RP2)的C端输出第二电压采样信号(GET-P2)，高压源电压设定电路包括第三电位器(RP3)，所述第三电位器(RP3)的C端输出第三电压采样信号(GET-V)。

4.根据权利要求2所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：所述上位机远程控制电路包括以太网电路和网络滤波器(U-PHY T)，所述以太网电路为高度集成以太网控制器(U-LAN)，所述高度集成以太网控制器(U-LAN)的AEN端(Pin34)与单片机的nLANCS(Pin20)连接，所述高度集成以太网控制器(U-LAN)的INT0端(Pin4)与单片机的ETH-INT端(Pin33)连接，所述高度集成以太网控制器(U-LAN)的IORB端(Pin29)接单片机的nOE端(Pin15)；所述高度集成以太网控制器(U-LAN)的IOWB端(Pin30)接单片机的nWE端(Pin16)；所述高度集成以太网控制器(U-LAN)的地址总线[SA0～SA4]与单片机的地址总线[AINDR1～AINDR5]相连；所述高度集成以太网控制器(U-LAN)的16位数据总线[SD0～SD15]与单片机的低16位数据总线[DATA0～DATA15]相连，所述高度集成以太网控制器(U-LAN)与网络滤波器(U-PHY_T)接口，所述网络滤波器(U-PHY_T)用于对高度集成以太网控制器(U-LAN)传输信号进行电平转换。

5.根据权利要求4所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：还包括语音提示电路，所述语音提示电路包括立体声信号数模转换芯片(U-IIS-DA)和低电压音频放大集成电路(U-AMP)，所述立体声信号数模转换芯片通过IIS接口接收单片机信号。

6.根据权利要求5所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：还包括存储电路，所述存储电路包括程序存储单元和程序运行单元，所述程序存储单元为U-FLASH存储器，所述U-FLASH存储器通过Flash接口与单片机连接；所述程序运行单元为SDRAM存储器，所述SDRAM存储器通过SDRAM接口与单片机连接。

7.根据权利要求5所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：所述高压源输出电路包括单电源电平转换芯片(U-COM0)。

8.根据权利要求5所述的全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置，其特征在于：还包括无线触发预留电路，所述无线触发预留电路通过单片机的COM1接口连接，所述无线触发预留电路包括单电源电平转换芯片(U-COM1)。

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